PRESENTACIÓN PARA LA ENTREVISTA DE INGLES, ACTIVIDAD PRACTICA

1. SISTEMA AUTOMATIZADO PARA EL
CONTROL DE LA TEMPERATURA Y
EL TIEMPO EN EL PROCESO DE
TOSTION DEL CAFE
Jorge Jaramillo Ponce
Otto Leonardo Chaves
1

2. INTRODUCCION
 Nariño huele a cafés especiales.
 Proceso de la tostion.
 Control del proceso.
 Resultados.
2

3. Planteamiento del problema
¿Es posible controlar la temperatura y el tiempo en el
proceso de tostión de manera automática y garantizar
la calidad del producto final?
3

4. Objetivo General
o Desarrollar un sistema automatizado para controlar la
temperatura y el tiempo en el proceso de tostión de
café.
4

5. Objetivos Específicos
 Establecer las características técnicas y operativas de un
sistema electrónico para el control automático de la
temperatura y el tiempo en el proceso de tostión de café.
 Diseñar el sistema electrónico para el control automático
de la temperatura y el tiempo en el proceso de tostión de
café.
 Implementar el sistema electrónico para el control de las
variables involucradas en el proceso de tostión de café.
5

6. Proceso de tostion del café
Intervienen:
mecanismos de transferencia de calor y de masa
simultáneamente.
Cambios físicos y químicos.
700 a 800 compuestos constituyentes del aroma y el
sabor.
Comportamiento de la temperatura y el tiempo en el
proceso.
6

7. Temperatura del grano (°C) Color Volumen Proceso
100 Amarillo Desecación y pérdida de agua.
120-130 Castaño Reacciones de reducción de
azúcares y aminoácidos.
130-180 Marrón Aumenta Caramelización de azúcares.
180-200 Marrón Aumenta Producción de CO2 por
pirogenación de
carbohidratos, proteínas y
grasas.
200-230 Marrón Aumenta Agrietamiento del grano
(crepitación) y afloramiento
del aceite en la superficie.
250 Negro sin brillo Deja de aumentar Sobretostión, se
Carboniza y el aroma
desaparece.
Fases de la tostion
Desecación
Crecimiento
Disgregación
Tostado
completo
Enfriamiento
7

8. Transferencia de calor hacia los
granos de café
Conducción.
Convección.
Radiación.
8

9. Las curvas de tostión
9

10. Fundamentos de Lógica Difusa
La lógica difusa es
una extensión de la
lógica tradicional
(Booleana) que
utiliza conceptos de
pertenencia de sets
mas parecidos a la
manera de pensar
humana
10

11. Lógica Difusa
 Conjuntos difusos.
Funciones de pertenencia.
Operaciones entre conjuntos difusos.
 Fusificación.
 Base de conocimiento.
 Inferencia difusa.
Defusificación.
11

12. Control Difuso
12

13. Tipos de controladores difusos
 Directos sin optimización:
1. Controlador proporcional: X=f (e).
2. Controlador integral X=f(s).
3. Proporcional-derivativo: X= f (e, Δe).
4. Proporcional-integral: X= f (e, s).
5. Con realimentación no lineal: X=f (R, S).
 Directos con optimización:
1. Controladores difusos auto-organizados.
2. Controladores difusos con auto-aprendizaje.
3. Controladores basados en modelado difuso.
13

14. Diseño preliminar máquina para
tostion de café
14

15. Características técnicas y operativas para
el control de la temperatura y el tiempo
de la maquina de tostion de café
Dos servoválvulas para control de caudal de aire.
Tubería de acople entre servoválvulas, intercambiador
de calor y tolva de tostión.
Compresor de aire.
Encendido intercambiador de calor y compresor.
Referencia de temperatura variable en el dominio del
tiempo.
 Sensor de temperatura capaz de medir de (0–230)°C .
Velocidad del aire.
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16. ESQUEMA GENERAL EN BLOQUES PARA CONTROLAR LA
TEMPERATURA Y EL TIEMPO EN UNA MAQUINA DE TOSTION
DE CAFÉ CON AIRE CALIENTE Y GAS LP
16

17. Diseño del Circuito Electrónico para la
Configuración de Medida y Acondicionamiento
de la señal del sensor
Diseño de una fuente dual DC regulada y filtrada
 푓푐 =
17
1
2휋∗220휇퐹∗22Ω
= 32.88 퐻푧
 Vout: (12, -12, 5, -5) VDC

18. Caracterización del sensor de
temperatura RTD pt-100
Comportamiento lineal de la resistencia vs temperatura.
Rango de medida.
 Precisión de una decima de grado.
 Corriente máxima a través del sensor 2.4mA
푰 =
Δ푻∗휹
푹
=
ퟎ.ퟏ∗ퟔ∗ퟏퟎ−ퟑ
ퟏퟎퟎ
= 2.4mA
Donde:
휹 =
ퟔ풎푾
°풌
18

19. Puente de Wheatstone en
configuración siemens
 푉푚 =
푉푒푥
4
Δ푅3−Δ푅4
푅푇
 푉푚 =
푉푒푥
4
Δ푅푇+푅푐+Δ푅푐− 푅푐−Δ푅푐
푅푇
 푉푚 =
푉푒푥
4
Δ푅푇
푅푇
 푉푒푥 = 4.96 푉
 푅푒푞푖푧 = 푅1 + 푅2
 퐼푒푞푖푧 =
푉푒푥
푅푒푞푖푧
=
4.96
3190
 퐼푒푞푖푧 = 1.554 푚퐴
 푃퐷 = 240.25 휇푊 푎 0°퐶
 푃퐷 = 423 휇푊 푎 233°퐶
19

20. Etapa de Amplificación de la señal
 푅푒푞푑푒푟 = 푅푝푡100 + 푅4 = 187.91 + 3090 = 3277.91Ω
 퐼푒푞푑푒푟 =
푉푒푥
푅푒푞푑푒푟
=
4.96
3277.91
= 1.5푚퐴
 푉푅4 = 퐼푒푞푑푒푟 ∗ 푅4 = 1.5푚퐴 ∗ 3090Ω = 4.647Volts
 푉푅2 = 퐼푒푞푖푧 ∗ 푅2 = 1.554푚퐴 ∗ 3090Ω = 4.804Volts
 푉푚푚푎푥 = 푉푅4 − 푉푅2 = 4.804 − 4.647 = 157푚푉
 퐺 =
푉푒푥
푉푚푚푎푥
=
4.96푉
157푚푉
= 31.6
 푅퐺 =
49.4퐾Ω
G−1
=
49.4퐾Ω
31.6−1
= 1614.37Ω
20

21. Etapa de filtrado
21

22. Diseño de servoválvulas
Componentes:
 servomotores (10kg-cm), 5VDC, 0.17seg/60°.
 Llave de paso de bola.
 Juego de piñones.
 Fuente alimentación 5VDC.
Relacion de piñones:
 96/60=1.6
 푚표푣. 푚푎푥. 푎푛푔푢푙푎푟 푙푙푎푣푒 푑푒 푝푎푠표 = 90°
 푚표푣. 푚푎푥. 푎푛푔푢푙푎푟 푠푒푟푣표푚표푡표푟 =
푚표푣. 푚푎푥. 푎푛푔푢푙푎푟 푙푙푎푣푒 ∗ 1.6
 푚표푣푖푚푖푒푛푡표 푚푎푥푖푚표 푠푒푟푣표푚표푡표푟 = 144°
 90°
22
푋
=
144°
1°
 푋 = 0.625°

23. Módulo de control, Adquisición de
señal e Interfaz de comunicación
 Interfaz de comunicación USB entre Matlab y el microcontrolador.
 Digitalización señal de temperatura.
 Control de las servoválvulas:
푃푒푟푖표푑표 = 4 ∗
1
퐹. 푂푠푐푖푙푎푑표푟
∗ 65536 − 푉푎푙표푟푇푀푅0 ∗ 푃푟푒푠푐푎푙푒푟
푃퐸푅퐼푂퐷푂 =
4
48푀ℎ푧
∗ 65536 ∗ 4
푃퐸푅퐼푂퐷푂 = 20.971 푚푠푒푔
 Rango de operación servomotores:
2457 (limite inferior, válvula totalmente abierta)
6919(limite superior, válvula totalmente cerrada)
 Control de encendido para intercambiador de calor y compresor
23

24. Diagrama de Flujo
24

25. Diseño de hardware
25

26. Encendido compresor de aire e
intercambiador de calor
 Encendido compresor  Encendido Intercambiador de calor
26

27. Diseño e implementación del método de
control por medio de lógica difusa
Pasos:
 Identificar las variables de entrada y salida del
sistema.
 Un modelo lingüístico que puede ser creado con
base en el conocimiento de un humano experto.
 Definir el universo de discurso de acuerdo a la
variable lingüística y dividir el universo de
discurso, asignando etiquetas a los valores difusos
(conjuntos difusos).
 Asignar funciones de pertenecía para cada
conjunto difuso.
 Asignar una relación entre las entradas y las
salidas, formando una base de reglas.
 Determinar un método de defusificación.
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28. Control difuso directo sin optimización
tipo proporcional derivativo
28

29. Fusificación y diseño de las funciones
de membresía
 Conjuntos difusos error de temperatura
29

30. Fusificación y diseño de las funciones
de membresía
 Conjuntos difusos delta error
30

31. Fusificación y diseño de las funciones
de membresía
 Conjuntos difusos apertura de llaves
31

32. Base de reglas
ERROR
32
DELTA ERROR
NG NM NP 0 PP PM PG
AF AC AF AC AF AC AF AC AF AC AF AC AF AC
NG A C SA SC MA MC MA MC MC MA SC SA C A
NP A C SA SC MA MC IM IM SC MA C SA C A
CERO A C SA MC IM IM MC IM SC MA C SA C A
PP A C SA MC MC MC IM MA C MA C A C A
PG A C SA MC MC IM MC MA C MA C A C A
AF: Apertura para llave de aire frio.
AC: Apertura para llave de aire caliente.

33. Configuración control difuso
 Formato tipo Mamdani, por
ejemplo: If error es NG y
cambio de error es NG then
apertura aire caliente es C y
apertura aire frio es A.
 Tipo de inferencia: Max-Min.
 Método de defusificación:
Centroide.
33

34. Superficie de control
34

35. Superficie de control
35

36. Aplicación de control
Funciones:
 Perfiles de tostión del café.
 Visualización en tiempo real del proceso.
 Permite el control de encendido del compresor de aire y del
intercambiador de calor.
 Borrar perfil.
 Reinicio del sistema.
 Parada.
 Guardar perfil.
 Para el análisis de los perfiles se incorporó las herramientas de
zoom, cursor y desplazamiento.
 Avisos: Gestiona avisos de advertencia, barras de progreso,
visualización de la temperatura actual y porcentaje de apertura de
servoválvulas
36

37. Aplicación de control
37

38. Implementación del sistema
38

39. Módulo de control implementado
39

40. Implementación de servoválvulas
40

41. Evaluación del sistema
41

42. Calibración del sistema
 Respuesta oscilante (3°C error), 1.6%.
 Sobrepaso 3.9°C.
 Cambios en el diseño del controlador difuso.
42

43. Análisis de resultados
43
Tiempo
de
retardo
(min)
Tiempo de
levantamiento(min)
Tiempo
pico
Máximo
sobreimpulso(°C)
Tiempo de
asentamiento(min)
1.65 5.91 5.95 168.2 6.1

44. Análisis de resultados
 Cambio de 115 a 106 °C en un tiempo de establecimiento de 44.75 seg.
 Error en estado estable de 0.2 °C.
 Error en estado estable de 0.6°C, 0.275% 44
(tolva con café y en movimiento)

45. Perfiles de tostión
45

46. Indicador de calidad
CURVA DE TOSTION #2 UDENAR
FICHA TÉCNICA DEL PRODUCTO TOSTADO
46
CODIGO: 002.
Fecha de Catación: 17/05/2014 Laboratorio: UDENAR
Fecha de muestreo: 16/05/2014 Catador: EVELIO LASSO
Presentación de muestra: TOSTADO Peso de la muestra (Gr): 250GR
Origen N/A
Variedad N/A Tipo de Tostion: MEDIA ALTA
Rango de altitud: N/A Numero Agtron: N/A
Época de cosecha N/A Molienda: Media
PERFIL DE TAZA
1.Fragancia/Aroma 8,25 CITRICO, FRUTOS ROJOS CARAMELO
2. Sabor 8,00 ACHOCOLATADO, NOTAS CITRICAS
3. Sabor residual 7,75 DULCE, CORTO
4. Acidez 7,50 MEDIA
5. Cuerpo 7,50 MEDIO
6. Dulzor 7,75 ACARAMELADO
7. Uniformidad 10,00 UNIFORME
8. Limpienza de la taza 10,00 LIMPIO
9. Balance 10,00 BALANCEADO
10. Global 7,75 CAFÉ MAS DESAROLLADO EN SU SABOR
PUNTAJE FINAL (SCAA) 84,50
CURVA DE TOSTION
1.Fraga…
10
5
10.…
OBSERVACIONES: CAFÉ MAS DESARROLLADO EN SU ESTRUCTURA DE SABOR, ACIDEZ
MEDIA Y RECIDUAL UN POCO MAS PROLONGADO.
EVELIO AUDIAS LASSO B.
Fuente: Esta investigación.
Catador Q-GRADER
0
2. Sabor
3.…
5.… 4. Acidez
6. Dulzor

47. Conclusiones
 Se cumplió satisfactoriamente los objetivos de la investigación al lograr obtener un sistema de control
de temperatura y tiempo en el proceso de tostión de café óptimo que permite la obtención de cafés
especiales, al realizar diferentes perfiles de tostión a través de una interfaz gráfica de usuario la cual
cumple los principios de usabilidad, mostrando graficas de temperatura real y referencia, apertura de
servoválvulas, una barra de herramientas para el análisis de las curvas construidas y gestiona el
guardado de los perfiles de tostión con el fin de estandarizar el proceso.
 Se diseñó e implemento dos servoválvulas a bajo costo que permiten controlar de forma adecuada, el
caudal de aire frio y caliente que es ingresado en la tolva de tostión lo cual es clave para el correcto
funcionamiento del sistema. Además se pueden utilizar estas servoválvulas para controlar otro tipo de
fluido como lo puede ser agua, etc.
 La realización de un circuito acondicionador de señal del sensor RTD-PT100 confiable permite
desarrollar de forma adecuada el control de la temperatura y además a un bajo costo.
 Por la complejidad del sistema y los factores externos que son difíciles de modelar, es viable un
Control Difuso, el cual permita evaluar, variables lingüísticas, no numéricas, simulando el conocimiento
humano, al relacionar entradas y salidas, sin tener que entender todas las variables, permitiendo que
el sistema de control pueda ser confiable y estable.
 El principal aporte de este trabajo a la región se constituye en un desarrollo tecnológico que permite
potenciar la calidad del café en el proceso de tostión.
 El desarrollo del trabajo de grado permitió mostrar la capacidad intelectual, humana, social, etc,
fomentada dentro de la Universidad de Nariño comprometida con el desarrollo de la región, la cual a
través del programa de ingeniería electrónica aporta significativamente a la apropiación de la
tecnología en el sector agrario el cual es la base de la economía de Nariño. De esta manera se da
cumplimiento a los fines misionales de la institución a través de una investigación con proyección
social, orientada a dar respuesta a los problemas y necesidades del departamento.
47

48. Recomendaciones
 Para el correcto funcionamiento del sistema de control se recomienda leer el manual
de usuario.
 Desarrollar un sistema que agilice el enfriamiento del café para evitar la sobretostión.
 Se recomienda implementar un testeador en el cilindro de tostado para verificar el
avance de la tostión y desarrollo del grano.
 Para incrementar la eficiencia del sistema se recomienda realizar un trabajo de
investigación que tenga como objetivo utilizar la energía térmica no aprovechada por
el intercambiador de calor para inyectarla a un proceso de secado del grano.
 Se sugiere realizar métodos de control alternativos.
 Se sugiere realizar un sistema embebido.
 Se recomienda realizar investigaciones interdisciplinares que tengan como objetivo
solucionar problemáticas que lleven a tecnificar los procesos tradicionales en la
actividad económica de la región y permitan dar valor agregado a los productos o
servicios, generando un desarrollo integral.
 Mejorar el diseño del intercambiador de calor realizando un adecuado modelamiento
matemático partiendo de las propiedades termofísicas.
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49. 49

50. 50